JP2005155356A

JP2005155356A - 並列２連ターボ過給機による機関過給装置

Info

Publication number: JP2005155356A
Application number: JP2003391879A
Authority: JP
Inventors: Shoji Sasaki; 祥二佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】１ターボ過給機運転と並列２ターボ過給機運転の間に切り換えて運転される２連ターボ過給機による過給装置に設けられる可変ノズルの作用効果を倍化する。
【解決手段】機関低速回転域にて単独運転されるターボ過給機を可変ノズル型とし、機関低速回転域に於ける過給効率を可変ノズルの開度調節により高めると共に、１ターボ過給機運転より２ターボ過給機運転への切換時に可変ノズルを一旦絞って機関背圧と過給圧の急低下を防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気を加圧する機関過給装置に係り、特に車輌用内燃機関のための２つのターボ過給機を並列に接続してなる過給装置に係る。

内燃機関の過給を機関の低速域より高速域までの広い速度領域にわたって高効率にて行うことができるよう、２つのターボ過給機を並列に接続してなる機関過給装置を構成し、機関の低速運転域にてはその一方のみを作動させ、機関の高速運転域にては両方のターボ過給機を作動させることが、例えば下記の特許文献１に記載されている如く知られている。更に、この特許文献に記載の過給装置に於いては、機関の低速運転域に於いて単独で運転される第一のターボ過給機は、機関の高速運転域にて第一のターボ過給機に加えて運転される第二のターボ過給機に対比して小型のものとされると共に、第二のターボ過給機には可変ノズルが設けられ、第一のターボ過給機のみによる運転状態から第一および第二のターボ過給機の並列運転状態に遷移するとき、第二のターボ過給機の可変ノズルは予め閉じられており、その状態から始まって可変ノズルを徐々に開くことにより低速運転域から高速運転域への遷移が滑らかに行われるようになっている。
特開昭６３-１２９１２０

ターボ過給機は、そのタービンのノズルが可変ノズルとされる可変ノズル型であるときには、それが過給を行なう内燃機関の運転状態の変化に対する適応性が増し、より広い機関運転領域に亙ってより高い作動効率を発揮することができるが、可変ノズルを備えるにはそれ相当の製造コストを要するので、同じ最大過給能力を有するターボ過給機を可変ノズル型として製造するに要するコストは、当然のことながら、可変ノズル機構を備えない場合に比してかなり高価になる。

ところで、内燃機関が車輌の内燃機関であるときには、それは車輌の運行状況に応じてかなりの頻度と運転時間に亙って低速回転域にて運転される場合が多いので、上記の如く２つのターボ過給機を並列接続してなる過給機が車輌用内燃機関のものであるときには、それに可変ノズル機構を備えることにより得られる利益は、低速用ターボ過給機についての方が高速用ターボ過給機についてより大きいと考えられる。

本発明は、２つのターボ過給機による過給装置を１ターボ過給機運転より並列２ターボ過給機運転へ遷移させることを可変ノズルにより滑らかに行なうことと、車輌用内燃機関が多分に低速域にて運転され、低速域に於ける過給性能の向上が重要であることに鑑み、可変ノズルをその両方の目的のために最大限に作動させることのできる車輌用内燃機関の過給装置を提供することを課題としている。

上記の課題は、本発明によれば、プライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とを並列に含む車輌用内燃機関の過給装置にして、前記プライマリターボ過給機のタービンは可変ノズル型とされ、機関回転速度に応じて、第一の回転速度領域では、前記セカンダリターボ過給機が非作動とされ、前記プライマリターボ過給機のみが可変ノズル開度を調節しつつ作動され、前記第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度が一旦低減されると共に、前記プライマリターボ過給機に加えて前記セカンダリターボ過給機が作動されるようになっていることを特徴とする過給装置によって達成される。

前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第一の回転速度領域に於いて、該プライマリターボ過給機による過給圧が所定の目標値に達するまで全開以下の絞られた開度とされてよく、またこの絞られた開度は特に最小開度とされてよい。

また、前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第二の回転速度領域にて機関回転速度が上昇するに連れて増大されるようになっていてよい。

また、前記セカンダリターボ過給機のタービンも可変ノズル型とされ、前記セカンダリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第一の回転速度領域に於いて、全開以下の絞られた開度とされていてよく、また、前記第二の回転速度領域にて機関回転速度が上昇するに連れて増大されるようになっていてよい。

上記の如く、プライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とを並列に含む車輌用内燃機関の過給装置に於いて、プライマリターボ過給機のタービンが可変ノズル型とされ、機関回転速度に応じて、第一の回転速度領域では、セカンダリターボ過給機が非作動され、プライマリターボ過給機のみが可変ノズル開度を調節しつつ作動され、前記第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、プライマリターボ過給機の可変ノズル開度が一旦低減されると共に、プライマリターボ過給機に加えてセカンダリターボ過給機が作動されるようになっていれば、車輌用内燃機関に於いては重要な運転部分を占める低速側の前記第一の回転速度領域に於けるプライマリターボ過給機単独運転による過給装置の作動性能を可変ノズルの開度制御により向上させると共に、過給装置がプライマリターボ過給機単独運転よりプライマリおよびセカンダリ両ターボ過給機の並列運転に遷移するとき、セカンダリターボ過給機の起動による過給装置容量の急増を可変ノズルによるプライマリターボ過給機の一時絞込みによって相殺し、遷移を滑らかにする、という２つの異なる目的に作動させることができる。

この場合、プライマリターボ過給機の可変ノズル開度を、前記第一の回転速度領域に於いて、該プライマリターボ過給機による過給圧が所定の目標値に達するまで全開以下の絞られた開度、特に最小開度とする制御が行なわれれば、機関がアイドル状態から立ち上がる場合等に、当初可変ノズルを絞り込んでおくことにより所定目標値までの過給圧の立上りを速め、過給圧が所定目標値に達したところで、可変ノズルを開くようにすることにより、機関背圧の過上昇をもたらすことなく、過給効果を高めることができる。

また、第一の回転速度領域に於ける１ターボ過給機運転より第二の回転速度領域に於ける並列２ターボ過給機運転に遷移する際に過給装置の容量の急な増大を抑えるべく一旦絞り込まれた可変ノズルが、前記第二の回転速度領域にて機関回転速度の上昇に応じて増大されるようになっていれば、可変ノズルは更に前記第二の回転速度領域にて機関回転速度に対応して過給装置の容量を調節する手段としても作動することができる。

更に、セカンダリターボ過給機のタービンも可変ノズル型とされ、セカンダリターボ過給機の可変ノズル開度が、前記第一の回転速度領域に於いて、全開以下の絞られた開度とされていれば、前記第一の回転速度領域より前記第二の回転速度領域へ遷移するときプライマリターボ過給機の可変ノズル開度を一旦低減する度合をセカンダリターボ過給機の初期開度の低減に応じて低減することができる。

また、セカンダリターボ過給機のタービンも可変ノズル型とされていれば、セカンダリターボ過給機の可変ノズル開度を前記第二の回転速度領域にて機関回転速度が上昇するに連れて増大させることにより、該可変ノズルによっても前記第二の回転速度領域に於ける過給装置の作動特性をより好適に制御することができる。

図１は本発明による車輌用内燃機関の過給装置の基本構成例を示す概略図である。図に於いて、１０はプライマリターボ過給機のタービンであり、可変ノズル１２を備えた可変ノズル型排気タービンとして構成されている。１４はタービン１０より軸１６を経て駆動される圧縮機である。１８はセカンダリターボ過給機のタービンであり、固定ノズル型排気タービンとして構成されており、２０はタービン１８より軸２２を経て駆動される圧縮機である。尚、可変ノズル型タービン或はタービンの可変ノズル構造自体は周知であるので、その詳細な説明は明細書の記載の冗長化を避けるため省略する。

図には示されていない内燃機関の排気マニホルドより導管２４を経て送られてくる排気ガスは、導管２６を経てプライマリターボ過給機のタービン１０へその可変ノズル１２を経て供給されると共に、導管２８を経てセカンダリターボ過給機のタービン１８へ供給されるようになっている。タービン１０を通った排気ガスは導管３０および３２を経て排出され、タービン１８を通った排気ガスは導管３４および３２を経て排出されるが、導管３４の途中には開閉弁３６が設けられているので、タービン１８の作動は開閉弁３６の開閉により制御される。開閉弁３６は単に開と閉の間に切り換えられる単純な開閉弁であってもよいが、中間開度も設定し得る弁である方が好ましい。

導管３８および４０を経て圧縮機１４へ供給され、タービン１０による圧縮機１４の駆動により加圧された空気は、導管４２および４４を経て図には示されていない内燃機関の吸気マニホルドへ供給される。一方、導管３８および４６を経て圧縮機２０へ供給され、タービン１８による圧縮機２０の駆動により加圧された空気は、導管４８および４４を経て上記吸気マニホルドへ供給されるが、導管４８の途中には開閉弁５０が設けられているので、圧縮機２０による加圧空気の吸気マニホルドへの供給は弁５０の開閉によっても制御される。

図２は、図１に示した本発明による過給装置に於いて、機関回転速度に対応して開閉弁３６および５０が開閉されることおよび可変ノズル１２の開度が最小開度と最大開度の間で調節されることと、機関背圧および過給圧の変化との対応を示すグラフであり、図中実線が本発明による例を示す。また、図２中、破線は同様の２連ターボ過給機による過給装置であって、いずれのターボ過給機にも可変ノズルが設けられていない場合の例であり、また二点鎖線は上記特許文献１に記載されている如く、２連ターボ過給機による過給装置であって、機関の高速側の回転領域にてのみ運転されるターボ過給機に可変ノズルが設けられている場合の例である。

図示のグラフに於ける実線表示より理解される通り、機関が停止状態にあるときを含み、車輌用内燃機関のアイドリング状態の如く機関回転速度が０に近い極低い値Ｎ１から以下に説明されるＮ５までは、開閉弁５０は閉じられており、セカンダリターボ過給機は有効に作動していない。従って、Ｎ１〜Ｎ５が上記の第一の機関回転速度領域である。そして、機関回転速度Ｎ５以上にて開閉弁３６および５０が開かれ、セカンダリターボ過給機の作動が開始されるので、Ｎ５以上の機関回転速度領域が上記の第二の機関回転速度領域である。但し、図示の実施の形態では、機関回転速度Ｎ３よりＮ５にかけて開閉弁３６が徐々に開かれている。これはセカンダリターボ過給機の暖機を図るものである。

機関の運転が開始されると、機関回転速度の増大に連れて機関背圧は図示の如く上昇し、それによってプライマリターボ過給機のタービン１２が駆動されることにより、圧縮機１４の作動によって得られる過給圧は図示の如く上昇する。そして過給圧が機関回転速度Ｎ２にて所定の目標値に達すると、これより機関回転速度がＮ３に達するまで可変ノズル１２が徐々に開かれる。このように過給圧が所定の目標値に達したところでプライマリターボ過給機の可変ノズルを開く制御を行なうことにより、過給による機関の出力性能の向上を得た上で、機関背圧を下げ、燃費を改善することができる。尚、図２の実施の形態では、セカンダリターボ過給機は可変ノズル型ではないので、後述の図３で見て可変ノズル５２に相当するノズル部は最大開度のままであるが、Ｎ１〜Ｎ５の機関回転速度領域に於いては開閉弁５０が閉じられているので、セカンダリターボ過給機による過給は行なわれない。

図示の実施の形態では、第一の回転速度領域での可変ノズル１２は或る所定の中間開度までのみ開かれ、このときの機関回転速度Ｎ３より機関回転速度がＮ５に至るまでは、可変ノズル１２はその中間開度に保持される。尚、図示の実施の形態では、開閉弁３６を開き始める機関回転速度と可変ノズル１２を中間開度まで開き終わる回転速度とがＮ３にて一致しているが、これは制御上の便宜のためであり、開閉弁３６を開き始める機関回転速度と可変ノズルの開操作を中間開度で中止する機関回転速度は互いに一致していなくてもよい。

可変ノズル１２が機関回転速度Ｎ２から始まって上記の如く中間開度まで開かれることにより、機関背圧は図示の如く一旦幾分低下するが、機関回転速度の増大に連れて再び上昇していく。尚、この間、機関背圧は低下しても、排気ガスの流量は増大していくので、過給圧は目標値以上に得られる。そしてセカンダリターボ過給機の圧縮機出口圧がある所定の値に達したこと、或いは機関回転速度がある所定の値Ｎ５に達したことに基づいて、開閉弁３６および５０が全開され、セカンダリターボ過給機の過給運転が開始される。尚、図１には示されていないが、セカンダリターボ過給機の立上りの安定性向上のために圧逃がし弁等の手段が設けられていてよい。

機関回転速度Ｎ５にて開閉弁３６が全開され、セカンダリターボ過給機が排気通路に全開接続されると、その分だけ急増するので、そのままでは、機関背圧は急激に低下する。そこで、本発明によれば、機関回転速度Ｎ５にて開閉弁３６が全開されると同時に可変ノズル１２を上記の中間開度より一旦絞ることが行われる。図２に示す例では、可変ノズル１２はほぼ最小開度まで絞られている。このようにプライマリターボ過給機の可変ノズル１２が絞られることにより、セカンダリターボ過給機の接続による排気ガス通路面積の急増分が適当に相殺されるので、機関背圧の低下は図示の如く機関に息つきを生じない程度の値に抑えられる。

以上の如き本発明による過給装置の制御に対比して、プライマリターボ過給機に可変ノズルが設けられておらず、プライマリターボ過給機の排気ガス入口が常時全開のままである場合には、図２に於いて破線にて示されている如く、機関回転速度がＮ１〜Ｎ４未満の間にあるような機関の低速運転状態では過給圧は目標値に到達しない。次いで、例えば過給圧が所定の目標値に達する機関回転速度Ｎ４にて開閉弁３６および５０を開き、セカンダリターボ過給機の運転を開始したとすると、今度はセカンダリターボ過給機の接続による排気ガス通路面積の急増により機関背圧が大きく急低下し、これに伴って過給圧も大きく急低下し、機関に息つきが生ずる虞れがある。

尚、上記特許文献１に記載されている如く、セカンダリターボ過給機に可変ノズルが設けられ、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転へ切り換えられたとき、セカンダリターボ過給機の可変ノズル（後述の可変ノズル５２に相当）が絞られた状態から始まって徐々に開かれるようになっていれば、図２に二点鎖線にて示されている如く、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転への切換えによる機関背圧の急低下生じないであろう。但し、この場合にも、機関回転数がＮ１〜Ｎ４の間にあるときの過給圧は図の破線による性能にとどまる。

プライマリターボ過給機に設けられた可変ノズル１２は、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転への切換え後は、切換えに際して一旦絞られた状態から機関回転速度の増大に応じて図２に示す如く徐々に開かれてよく、Ｎ５以上の機関回転速度の上昇に対応してプライマリターボ過給機の側にて過給装置を機関回転速度に適合させる制御に使用できる。

図３はプライマリターボ過給機およびセカンダリターボ過給機のいずれもが可変ノズル型とされた場合の、図１と同様の概略図であり、図４は図３の過給装置についての図２と同様のグラフである。図３に於いて、図１に示す部分に対応する部分については、図１に於けると同じ符号が付されている。この過給装置に於いては、セカンダリターボ過給機のタービン１８の排気ガス入口に可変ノズル５２が設けられている。この場合、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転への切換時に、セカンダリターボ過給機は当初任意に絞られた状態とされ得るので、プライマリターボ過給機の可変ノズル１２を一旦絞る度合を過給装置の作動性能をより高めるよう相互に関連して設定することができ、例えば、図４に例示する如くセカンダリターボ過給機の可変ノズル５２を最小開度に絞っておくことにより、可変ノズル１２の一時絞り度を図２の場合より少なくし、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転への切換時にプライマリターボ過給機の作動を乱す度合を低減することによりプライマリターボ過給機の作動効率を高く維持することを図ることができる。

かくして、本発明によれば、プライマリおよびセカンダリターボ過給機の２連結合よりなる過給装置のプライマリターボ過給機に設けられた可変ノズルを機関低速回転域に於いて過給による機関出力性能および燃費の向上のために用いると共に、１ターボ過給機運転より２ターボ過給機運転への切換時の機関の息つき防止のためにも用い、ターボ過給機を可変ノズル型とすることに要する製造費の増大に対するその利用効果を倍化することができる。

以上に於いては本発明を二つの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による車輌用内燃機関の過給装置の基本構成例を示す概略図。図１に示す過給装置に於いて、機関回転速度に対応して開閉弁３６および５０が開閉されることおよびプライマリターボ過給機の可変ノズル１２の開度が最小開度と最大開度の間で調節されることと、機関背圧および過給圧の変化との対応を示すグラフ。図１に示す過給装置のセカンダリターボ過給機も可変ノズル型とされる場合を示す同様の概略図。図３に示す過給装置についての図２と同様のグラフ。

符号の説明

１０…プライマリターボ過給機のタービン、１２…可変ノズル、１４…圧縮機、１６…軸、１８…セカンダリターボ過給機のタービン、２０…圧縮機、２２…軸、２４，２６，２８，３０，３２，３４…排気ガス用導管、３６…開閉弁、３８，４０，４２，４４，４６，４８…空気用導管、５０…開閉弁、５２…可変ノズル

Claims

プライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とを並列に含む車輌用内燃機関の過給装置にして、前記プライマリターボ過給機のタービンは可変ノズル型とされ、機関回転速度に応じて、第一の回転速度領域では、前記セカンダリターボ過給機が非作動とされ、前記プライマリターボ過給機のみが可変ノズル開度を調節しつつ作動され、前記第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度が一旦低減されると共に、前記プライマリターボ過給機に加えて前記セカンダリターボ過給機が作動されるようになっていることを特徴とする過給装置。
前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第一の回転速度領域に於いて、該プライマリターボ過給機による過給圧が所定の目標値に達するまで全開以下の絞られた開度とされることを特徴とする請求項１に記載の過給装置。
前記の絞られた開度は最小開度であることを特徴とする請求項２に記載の過給装置。
前記プライマリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第二の回転速度領域にて機関回転速度が上昇するに連れて増大されるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の過給装置。
前記セカンダリターボ過給機のタービンも可変ノズル型とされ、前記セカンダリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第一の回転速度領域に於いて、全開以下の絞られた開度とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の過給装置。
前記セカンダリターボ過給機の可変ノズル開度は、前記第二の回転速度領域にて機関回転速度が上昇するに連れて増大されるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の過給装置。